Твердий сплав металів

Изобретение относится к области изыскания новых твердых сплавов металлов на основе четырех компонентов Сr - Ni-Fe-Al. Использование в качестве основы сплавов указанных компонентов позволило получить сплавы с высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью и твердостью при комнатной температуре. Примерами могут служить: Сплав I: 28-42% Сr; < 25% Fe; 3-5% Al остальное никель, обладающий хорошей коррозионной стойкостью и твердостью 500-700 кг/мм2 при комнатной температуре [Патент, Франции №2557 594, С 22 С 19/06; С 22 F1/10]. Сплав не обладает высокой твердостью при повышенной температуре. Сплав II: 10-60% Ni; 15-30% Сr; 20-70% Fe; 4-6% АІ: 0,001-0,1% редких земель; 0,005-0,19% Zr, имеющий хорошее сопротивление горячему окислению. [Патент Франции №2526046, кл. С 22 С 19/05 38/40; Н 0113 1/02; Н 01 С 3/001]. Сплав не обладает высокой твердостью. Сплав III: 42,5-48 Ni; 14-18 Сr; 2,5-6 АІ остальное железо, обладающий жаростойкостью до 1250°С [Авт. св. СССР №308084, кл. С 22 С 19/05]. Сплав не является твердым и износостойким. Наиболее близким к заявляемому является твердый сплав следующего состава: 18-48 Сr, не менее 30% Fe - 2,5-4,5% Al остальное никель. [Патент ФРГ №3240188 А1, кл. С 22 С 19/05]. Этот сплав, обладая хорошей декоративностью и твердостью при комнатной температуре (³500 кг/мм2), применяется для изготовления наружных крышек и корпусов часов, обеспечивая их износостойкость при эксплуатации. Указанная твердость сплава достигается при образовании дисперсных включений Ni3AI в процессе специальной термической обработки. Включения Ni3AI активно коагулируют и растворяются при нагреве. При этом твердость сплава снижается до 150-160 кг/мм2 при комнатной температуре, что не позволяет использовать сплав-прототип в качестве твердого материала при повышенных температурах. Задачей изобретения является повышение величины твердости сплавов на основе четырех компонентов хрома-никеля-железа-алюминия в интервале температур от 20 до 900°С. Это достигается тем, что в разработанных четырехкомпонентных сплавах Cr-Ni-Fe-AI преобладающим компонентом является хром, а в качестве фазы, обеспечивающей дисперсионное твердение взамен Ni3AI используется более термостабильный интерметаллид NiAl, что реализуется при следующем соотношении компонентов, мас. % СNi/ СAl = 2/1, где С - концентрация компонентов, мас. %. Использование хрома в качестве основного компонента в сплавах при выбранных концентрациях компонентов позволило повысить твердость в интервале температур от 20 до 900°С за счет образования в тугоплавкой матрице более термостабильной упрочняющей фазы. Увеличение содержания хрома сверх максимального из предложенных значений приводит к снижению технологичности сплаве, а уменьшение ниже минимального значения - к нежелательному снижению температуры плавления сплава. Добавки железа в указанных пределах обеспечили упрочнение твердого раствора на основе хрома. При уменьшении концентрации железа ниже предложенных значений эффект упрочнения твердого раствора недостаточен. Превышение верхнего предела выбранных концентраций железа способствует охрупчиванию и снижению коррозионной стойкости сплава. Никель и алюминий предназначены в сплаве для дисперсионного упрочнения. Дисперсной фазой, обеспечивающей значительное повышение твердости сплава является в этом случае NiAI, которая обладает большей термической стабильностью, чем используемая для упрочнения в четырехкомпонентных сплавах NiCr-Fe-AI фаза Ni3AI. Так. температура плавления NiAI составляет 1638°С. а температура растворения в сплавах предложенных составов изменяется от 1200 до 1300°С. Для сравнения укажем, что плавление Ni3AI происходит при 1385°С, а растворение в четырехкомпонентных сплавах Ni-Cr-Fe-AI (в зависимости от состава) - в интервале температур 855-955°С. В отличие от сплава-прототипа упрочняющая высокодисперсная фаза (100-300 А) образуется уже при охлаждении слитка после выплавки и без сложной термической обработки, предлагаемые сплавы имеют высокую твердость 700-900 кг/мм2. Нижние значения предложенных интервалов концентраций никеля и алюминия обусловлены необходимостью получения достаточного для дисперсионного твердения количества интерметаллида NiAI. Верхние предельные значения этого интервала концентраций выбраны таким образом, чтобы не допустить образования квазибинарной эвтектики Cr-NiAI, что привело бы к значительному снижению температуры плавления сплава и максимально возможной температуры использования сплава. Твердые сплавы предлагаемых составов с целью повышения гомогенности распределения компонентов получали двойным переплавом в вакуумно-дуговой печи МИФИ 9-3 с нерасходуемым электродом в среде аргона с последующим выливом в медную изложницу. Состав сплавов приведен в табл.1. Сплав-прототип подвергали термической обработке в соответствии с патентом №3240/88 А1, ФРГ по режиму: нагрев в защитной атмосфере до 1200°С с выдержкой при 1200°С в течение двух часов и последующее дисперсионное твердение в течение пяти часов при 650°С. Термическая обработка заявляемого сплава не требовалась, так как дисперсионное твердение сплава имело место в процессе охлаждения слитка. Измеряли горячую твердость и проводили испытания на износостойкость всех опытных сплавов и прототипа. Микротвердость образцов измеряли на установке ВИМ-1 методом вдавливания в нагретую поверхность образцов индентором с алмазными наконечниками, имеющими форму четырехугольной пирамиды с углом в 136° между противоположными зонами. Вдавливание алмазных инденторов в поверхность образцов производилось через каждые 7 мин, а длительность выдержки инденторов на образцах при каждом измерении твердости составляла 1 мин при весе груза равном 1 кг. Нагрев образцов до 900°С производился за счет излучения от молибденового ленточного нагревателя, охватывающего каждый образец. Температура измерялась платино-платино-родиевой термопарой. Остаточное давление в рабочей камере при нагреве составляло ~ 1×10-5мм рт.ст. Измерение диагоналей отпечатков на образцах осуществлялось при помощи оптического микроскопа после охлаждения образцов до комнатной температуры. Число твердости по шкале Виккерса определяли по формуле где Р - нагрузка на индентор в килограммах, а b - диагональ отпечатка в миллиметрах. Результаты измерения твердости прототипа и заявляемого сплава в интервале температур от 20 до 900°С представлены в табл. 2, Приведенные результаты свидетельствуют, что предлагаемый сплав обладает более высокой твердостью, чем прототип во всем исследованном интервале температур. Важно, что при температурах 400900°С твердость предлагаемого сплава значительно превосходит твердость прототипа, который уже не является твердым в этом интервале температур. Необходимо отметить, что нелегированный хром имеет твердость всего 95-93 кг/мм2 при 600°С, 68 кг/мм2 при 800°С и 56 кг/мм2 при 900°С. Таким образом твердость предлагаемого сплава в несколько раз превышает как твердость прототипа, так и твердость нелегированного хрома при повышенных температурах. Испытания на износостойкость проводили в паре с контртелом из карбида титана и чугуна состава 3,6-4 С; 0,6-0,8 Мn; 2,1-2,6 Si; 0,03-0,08 Тi; 0,3-0,6 Сu; 0,3-0,45 Сr не более 0,2 Р, 0,12-0,25 Ni; не более 0,12 S, остальное Fе (выбранный для испытания чугун используется в гильзах цилиндров двигателей внутреннего сгорания) на лабораторной установке трения, работающей по схеме кольцо-штифт с фрикционным контактом по торцам. Нагрев пары трения принудительный объемный, штифт неподвижный, кольцо вращалось со скоростью 14,6 и 0,1 м/с при нагрузке 10 кг/см2. В качестве смазки использовали масло М8В, ГОСТ 10541-78. Износ оценивали после 40 км пробега последующей методике: предварительно пара трения прирабатывалась до "полного" прилегания поверхностей трения. Затем на вертикальном оптиметре с точностью до 0,5 мкм измерялась высота кольца и штифта до и после 40 км пробега. Результаты испытаний на износостойкость приведены в табл. 3. Выполненные испытания на износостойкость показали, что при комнатной температуре износ образцов из предлагаемого сплава ниже, чем износ образцов из сплава прототипа, хотя износ контртела все же ниже при трении в контакте с прототипом. При температурах 600 и 800°С износ заявляемого сплава не обнаружен в условиях проведенного эксперимента, в то время как износ прототипа составил 10-15 мм. Была оценена коррозионная стойкость заявляемых сплавов и сплава-прототипа по результатам испытаний в 20% водных растворах NaCI и HNO3, концентрированных HNO3 и НСІ после выдержки при комнатной температуре в течение 72 часов, а также после выдержки в расплавах солей (75% Na2SO4 + 25% NaCI) при 900°С в течение 112 часов. Режим испытаний в водных растворах соответствует режиму, предложенному в заявке №3240188 для сплава-прототипа, коррозионная стойкость которого проверялась в указанной заявке в 20% водном растворе NaCI. Для прототипа и заявляемых сплавов не обнаружено следов коррозии в растворе NaCI и азотной кислоте. Однако, стойкость предлагаемых сплавов на основе хрома в соляной кислоте и расплаве солей значительно превысила стойкость сплава-прототипа (~ в 10 раз на основании данных по скорости коррозии). Проведенные исследования позволяют рекомендовать предложенные сплавы для использования в качестве твердых, износостойких материалов, работающих в условиях трения на износ при комнатной и повышенной температурах, а также для твердых металлических наплавок на детали машин и механизмов.